低压动态无功发生器在油田中的应用

武伟伟 王斌斌（河南恩耐基电气有限公司）

油田配电网为多分支辐射式单向供电的接线方式，机采系统、注水系统及油气集输系统有大量异步电动机运行，负荷分散性大，配电网供电半径大、分支多、配电变压器数量多、负荷率低，运行时功率因数低，导致油田配电网网损大。为了保证抽油机有足够的过载能力，其电动机装机功率普遍比较大，载荷率只有30%左右[1]。根据当前的统计结果，油田配电网网损在10%～18%之间，能源浪费严重，因此，有效合理地对油田线路进行就地无功补偿具有重要的经济意义。

1 油田配电网无功补偿分析

抽油机是油田配电网的主要负荷。抽油机在一个冲程内有功功率和无功功率变化频率高，变化幅度大，功率因数一般在0.3～0.8 之间快速变换，平均功率因数在0.4 左右[2]。目前油田配电网采用分级电容器投切方式进行无功补偿，存在一定弊端：负载功率变化范围大，变化速度快，补偿装置投切器件频繁投切，使用寿命短；油田作业区供电电压波动大（一般在10%以上），超出自动装置的设定范围时失去补偿作用，为了避免过补偿和油井停机时电容器产生自励磁过电压，通常不能做到完全补偿[2]；谐波的存在严重影响电容器的使用寿命；油田抽油机分布分散，无功功率在线路上的损耗很大，集中补偿并不能解决无功造成的损耗问题。

低压动态无功发生器（ESVG）是无功补偿领域最新技术应用的代表。ESVG 并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可以灵活控制，自动补偿系统所需的无功功率[3]。鉴于油田电网的特性，ESVG 的实时动态就地补偿能够达到好的补偿效果。

2 ESVG 系统设计

2.1 主回路设计

ESVG 采用可关断电力电子器件IGBT 组成三相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，如图1 所示。直接控制其交流侧输出电流幅值和相位，迅速吸收或发出无功功率，实现快速动态调节无功的目的。ESVG 可以迅速跟随负载变化，动态连续补偿无功，彻底杜绝了无功倒送的问题。作为有源型补偿装置，输出无功电流不受母线电压影响，不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。

图1 主回路结构

2.2 控制器设计

以TI 公司DSP TMS320F28335 为核心，DSP TMS320F28335 具有150 MHz 的高速处理能力，具备32 位浮点处理单元，6 个DMA 通道支持ADC、McBSP 和EMIF；有多达18 路的PWM 输出，其中有6 路为TI 特有的更高精度的PWM 输出(HRPWM)，12 位16 通道ADC。与前代DSC 相比，平均性能提升50%。片内内置34 k×16 位SRAM 和256 k×16位FLASH，可存放用户程序，可进行FLASH 加密，方便工业应用，可缩短开发周期，降低开发成本。

2.3 软件设计

以集成开发环境Code Composer Studio V3.3 为软件设计平台，进行了软件的开发研究并进行了软硬件调试。软件系统主要包括系统初始化程序、主程序和中断服务执行程序。其中，中断服务程序包括定时器中断、电压同步锁相中断程序、SPWM 调制信号中断服务程序。电压同步锁相中断程序和SPWM 调制信号中断服务程序是控制的关键。TMS320F28335 具有强大的控制功能，其内置硬件电路可以大大简化PWM 波的生成过程，其控制流程如图2 所示。

图2 SPWM 中断服务程序控制流程

2.4 控制方案

设此装置产生的归算到系统侧的空载相电压为V ，系统相电压为V1，连接电抗为X ，则装置输出电流为

式中：jX 为阻抗，Ω。

输出单相视在功率为

在正常状态下，ESVG 装置只吸收很少有功功率，它输出的单相无功功率为

式中：Im为电流有效值，A。

图3 ESVG 装置工作状态

图4 ESVG 装置工作状态向量

当ESVG 产生的电压小于系统电压，即V ＜V1时，装置吸收感性无功功率，此时它相当于电感，如图3a 所示；当ESVG 装置产生的电压大于系统电压，即V ＞V1时，ESVG 装置发出感性无功功率，此时它相当于电容，如图3b 所示。两种状态下电压电流向量如图4 所示，发出感性无功电流时电流滞后电压90°，吸收感性电流时电流超前电压相位90°。通过调节ESVG 装置产生的电压V 的幅值来快速调整输出无功的大小和方向，满足无功补偿的需求。

3 试验应用

为了验证装置运行效果，在中国石油天燃气集团公司华油集团公司某采油区进行了试验。

图5 无ESVG 时系统电流电压波形

图6 安装ESVG 后系统电流电压波形

将ESVG 装置接入系统。无ESVG 装置系统拖动电动机时的电压和电流波形如图5 所示。由图5可知，线电压超前于响应的相电流30°，电流滞后线电压约4 ms，即功率因数为0.74，电流峰峰值约为204 A，有效值约为72 A。图6 为安装ESVG 后系统线电压和相电流波形，线电压超前于相电流1.7 ms 左右，即30.6°，功率因数为0.99，效果理想，电流有效值约为46.7 A，有效值降低35%。

图7 为ESVG 装置的电压和电流波形，可以看出电流超前线电压波形3.4 ms 左右，即61.2°，转化为相电压则为相电压超前相应的相电压约90°，即发出纯感性无功功率提供给负载，实时补偿抽油机工作时所需的无功功率，降低电网与负载间的能量交换，提高油田电网质量。

图7 ESVG 装置电流和电压波形

安装前后使用FLUKE 测试仪器进行功率测量对比，结果显示，无功功率在0～3 kvar 之间波动，有功功率在9～30 kW 之间，瞬时功率因数均在0.93以上，平均功率因数在0.98 以上，补偿效果理想。

4 效益分析

以一条长10 km 的10 kV 油田输送线路为例，按照线路100 kVA 配电变压器40 台，平均每台负载率为60%计算。油田抽油机运行时平均功率因数在0.5左右，变压器有功负载为P=100×0.6×0.5=30（kW）。补偿后功率因数大于等于0.95，则无功补偿量为

考虑降低网损效果，无功补偿装置在满足负载无功功率需求的同时还对变压器的自身无功功率进行补偿。变压器无功损耗按照1%计算[3]，则每台变压器无功补偿量按照50 kvar 计算，功率因数从0.5升高到0.95，变压器提供的有功功率不变，则变压器视在功率为S =30/0.95=31.58 kVA。补偿后电流与原电流的比例关系与视在功率比例基本相同，为21.58/60= 0.36。由于油田线路的复杂性，造成配电网网损的原因有线径大小、功率因数、变压器铜损、漏电损耗等，线路运行损耗与流经电流的平方成正比例关系，所以，无功补偿降低的电流引起的线损与原线损的关系为1-0.36×0.36 =0.87，即降低线损87%。

5 结语

油田线路接线长并且交叉复杂，无功功率在线路上引起的有功损耗非常严重，此装置在油田运行后基本解决了油田的无功功率补偿问题，实现了油田的无功就地补偿功能，大大降低了线路上的损耗，稳定了油田电网的末端电压，提高了油田供电电网的稳定性。ESVG 装置在油田的推广使用将大大降低油田能耗，降低产油成本，而且可以延长线路和设备的使用寿命。

[1]冯成宝.油田抽油机现状及节能方式综述[J].内蒙古石油化工,2008,24:31-33.

[2]Lu Jiming,He Jinping,Mao Chengxiong,et al.Design and implementation of a dual PWM frequency converter used in beam pumping unit for energy saving[J].IEEE Industry Applications Society,2004(5):31-38.

[3]武伟伟,龙翔.低压动态无功发生器ESVG 在农网应用研究[J].电能质量,2012(12).57-59.